1、信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 36 论 著0 引言砷化镓（GaAs）在光电子和微电子领域应用广泛，是制作通信器件和半导体发光二极管的关键材料。与硅单晶一样，砷化镓衬底正逐步向大尺寸、高几何精度、高表面质量、低损耗方向发展，是目前最重要、最成熟的化合物半导体材料之一。砷化镓材料主要分为两类：半绝缘砷化镓材料和半导体砷化镓材料。半绝缘砷化镓材料主要制作MESFET、HEMT和HBT结构的集成电路。主要用于雷达、微波及毫米波通信、超高速计算机及光纤通信等领域。砷化镓材料是目前生产量最大、应用最广泛的化合物半导体材料，也是仅次于硅的最重要的半导体材料。由于其具备高功率密度、低能耗、
2、抗高温、高发光效率、抗辐射、击穿电压高等特性，是微波、毫米波器件、微波大功率器件、高速数字电路、微波单片集成电路、射频的首选材料。砷化镓单晶中存在一种孪晶，在晶体横截面上观察呈线状，称线性孪晶1。线性孪晶（M-Twin）是一种晶体缺陷，需要将其切除。若M-Twin比较粗，则可根据外圆观察标记长度切除，但在生产中还存在比较细的M-Twin，需将测试片腐蚀后才能观测到2。砷化镓是闪锌矿结构，孪晶面总是（111）面3，因此线性孪晶（M-Twin）在晶体中的生长存在规律性，根据其生长规律，根据几何关系的换算则可以计算出M-Twin需要切割的砷化镓单晶长度。1 实验和方法本文采用的样品是判定为有线性孪晶
3、的单晶晶棒，使用内圆切片机从头部切除510 mm圆饼料；将圆饼料放入腐蚀液（氢氧化铵：过氧化氢：纯水=2：1：1）中室温下腐蚀46 min；用直尺量取靠近头部的端面的孪晶长度记为L1，过头部孪晶的弦长记为L3，孪晶端点到边缘的距离记为D；量取靠近尾部的端面的孪晶长度记为L2，过尾部孪晶的弦长记为L4；再根据测量出的数据利用公式中计算出砷化镓单晶线性孪晶长度。在实际生产中观察到有两种方向分布的孪晶，一种是在晶体表面形成整个晶向面的孪晶，如图1所示；一种是在晶体表面向内部形成的线性孪晶，如图2所示；此孪晶需要腐蚀后才能观察到，而且在晶体侧面观察不到，因此需要切除的长度也不易判断。图1 晶向面的孪晶
4、砷化镓单晶线性孪晶长度判断方法研究王金灵1，刘火阳2，3（1广东先导微电子科技有限公司 广东 清远 511517）（2国家稀散金属工程技术研究中心 广东 清远 511517）（3广东先导稀材股份有限公司 广东 清远 511517）【摘要】本文研究线性孪晶在晶体中的生长存在规律性，根据几何关系的换算则可以计算出M-Twin需要切割的砷化镓单晶长度。实验验证利用理论公式计算晶棒的M-Twin长度与实际M-Twin切除长度接近，证明该计算方法可以判断砷化镓线性孪晶的长度，可以减少因人为误判而造成的浪费。【关键词】线性孪晶；砷化镓单晶；长度判断【中图分类号】TN6【文献标识码】A【文章编号】1009-
5、5624（2022）12-0036-03Study on the length judgment method of GaAs single crystal linear twin crystalWANG Jinling1,LIU Huoyang2,31 Guangdong Pilot Microelectronics Technology Co.,L TD.Qingyuan,Guangdong 511517,China2 National Engineering and Technology Research Center for Dispersed Metals,Qingyuan,Guan
6、gdong 511517,China3 Guangdong Pioneer Thin Material Co.,L TD.,Qingyuan,Guangdong 511517,China【Abstract】In this paper,the growth regularity of linear twins in crystals was studied,and the length of GaAs single crystal to be cut by M-Twin could be calculated according to the conversion of geometric re
7、lations.The experimental results show that the M-Twin length calculated by the theoretical formula is close to the actual M-Twin excised length,which proves that the calculation method can judge the length of GaAs linear twin and reduce the waste caused by human misjudgment.【Key words】M-Twin;Gallium
8、 arsenide single crystal;Length judgmentDOI:10.16009/13-1295/tq.2022.12.031信息记录材料 2022年12月 第23卷第12期 37论 著图2 线性孪晶观察此类线性孪晶的晶片发现有以下规律：一是，线性孪晶总是和解理线呈垂直（平行）的关系。二是，线性孪晶和晶体角度偏转的方向和角度有关联性，如图3所示。图 3 线性孪晶和晶体偏转方向和角度的关系记（100）面和孪晶面（即（111）面）的夹角为，则晶体端面和孪晶面的夹角为（+）。下面以(100)to(111)15晶棒为例说明计算过程：h=Ltan（+）（1）（2）式（1）中，L表
9、示线性孪晶端点到晶棒侧面的距离，h表示需要切割的长度。式（2）是根据晶面指数计算晶面夹角的公式，（hkl）代表晶面指数。代入数值计算得到：h=Ltan（54.736+15）（3）实际过程中会存在其他偏转角度的晶棒，例如（100）to（111）6，（100）to（111）2的晶棒等，不能按照式（3）直接计算。但可以使用的通用的计算方法如下：h=Ltan（54.736+）（4）2 结果与讨论砷化镓是闪锌矿结构，孪晶面总是（111）面，因此对于一个确定晶向的晶体，线性孪晶经过的面和晶体端面的夹角可以根据几何关系求得4；沿着孪晶面进行延长，延长后可以得到一个椭圆。根据晶棒直径和角度偏转关系（见表 1）
10、，可以得出椭圆的方程。表1 角与晶体晶向的对应关系表晶向/(100)0 54.736(100)2off toward 56.736(100)6off toward 60.736(100)15off toward 69.736晶棒直径和角度偏转关系：用15有线性孪晶的晶片沿垂直于线性孪晶方向解理分开。腐蚀后用显微镜从解理面方向观测线性孪晶，如图4所示。可以看到孪晶面与晶体端面的夹角分别为68.817、69.592与理论的角度69.736非常接近。因此可以说明孪晶面为(111)面，且孪晶面和晶体端面的夹角为固定可计算的值6。图4 线性孪晶与晶体端面的夹角在实际操作中可以发现，有一些晶棒实际切除长度
11、和理论计算值接近，有一些晶棒实际切除长度未达到理论计算长度时，线性孪晶就已经切完了，而且实际需要切除的长度和理论计算值的差值并未发现规律。由上述可知，孪晶面和晶体端面的夹角是固定的，因此可以推断，晶体在生长过程中，线性孪晶会变短。对于15晶棒，若线性孪晶没有变短，可以计算出若晶体轴向相差5 mm，则线性孪晶端点距离晶体侧面的距离相差约为1.85 mm。因此为了提高效率，可以先切5mm长的料，然后将切下的料腐蚀，测量线性孪晶在两个端面距离的差值，若为1.85 mm，则可以按照式（4）计算剩下需要切割的长度。线性孪晶在两个端面距离的差值若小于1.85 mm，则需要再讨论。如出现孪晶按照线性关系变短，实际可能呈弧线变化，或者突然消失，或者其他不规则的情况。由于无法观测到实际孪晶是如何变化的，若孪晶不规则变化，则无法计算需要切割的长度。若成线性变化，则可以利用几何关系计算需要切割的长度。计算孪晶长度可制定一个晶体模型，如图4所示；沿着孪晶面沿着进行延长，延长后可以得到一个椭圆，如图5所示。根据晶棒直径和角度偏转关系，可以写出椭圆的方程。试切一定厚度的圆饼料，通过测量圆饼料两个端面孪晶的长度可以获得孪晶两个端点的坐标，进而可以求得孪晶端点连线的直线方程。联合直线方程和椭圆方程即可求得相交点的坐标，根据晶棒角度偏转情况可以推算出需要切割的长度。
